Schrödingerov misaoni eksperiment iz 1935. probudio je vek rasprava o tome šta znači merenje i objektivna realnost u kvantnoj mehanici. Današnji eksperimenti pomeraju granice — od fulerena do natrijumovih nanokristala — i mere koliko daleko kvantne superpozicije mogu da dopru pre nego što se uruše zbog dekoherencije. Cilj je i testirati kvantnu prirodu gravitacije kroz zapetljavanje masa, što bi imalo velike implikacije za teorije poput Penroseove i potragu za tamnom materijom.
Schrödingerovi Mačići Su Odrasli — Eksperimenti Koji Pomeraju Granice Kvantne Fizike
Godine 1935. Erwin Schrödinger je izazvao raspravu koja traje skoro ceo vek. Njegov poznati misaoni eksperiment sa mačkom u kutiji poslužio je da istakne problematičan aspekt tadašnjih tumačenja kvantne mehanike: da li kvantni objekti imaju objektivnu stvarnost pre merenja?
Zašto je mačka važna?
Schrödinger je pismo Albertu Ajnštajnu iskoristio da prikaže koliko je, po njegovom mišljenju, nelogično pretpostaviti da posmatranje samo po sebi “stvara” realnost. Ako bi atom, koji može da se raspadne ili ne, bio u superpoziciji, to bi — u izvornom scenariju — dovelo do mačke koja je istovremeno živa i mrtva. Cilj je bio da se pokaže apsurdnost nukleacije realnosti posmatranjem, kao što su tvrdili pristalice kopenhaške interpretacije.
Od misaonog eksperimenta do laboratorije
Danas eksperimenti ne samo da potvrđuju postojanje kvantnih superpozicija, već ih i pomeraju na sve veće skale. Ključni problem je dekoherencija: curenje informacija u okolinu (udarci fotona, molekula gasa itd.) uništava superpoziciju. Zato je izazov izolovati veće objekte dovoljno dobro da bi se uočile njihove kvantne osobine.
GLOW IN THE DARK:The central bright dot is a silica nanoparticle levitated in a vacuum by electric fields. Its thermal jiggling has been reduced so much that its effective temperature is just a few millionths of a degree Kelvin above absolute zero, and it is in the lowest-energy quantum state possible: the ground state.Credit: Aspelmeyer Group / University of Vienna.
Klasičan primer kvantnog ponašanja su iskustva sa dvostrukim prorezom, gde čestice ponašaju kao talasi i interferiraju same sa sobom. Eksperimenti Marca Arndta i drugih pokazali su interferenciju fulerena (C60) i mnogo većih molekula — timovi su 2019. demonstrirali superpozicije organskih molekula do oko 2.000 atoma (~25.000 daltona).
Rekordni ‘mačići’ i pojam makroskopiciteta
Hornberger i Arndt su uveli i kvantifikaciju zvanom makroskopicitet — mera koliko je superpozicija „zagonetna“ za klasično shvatanje sveta. Nedavno je postavljen novi rekord: natrijumovi nanokristali od ~8 nm, sa ~7.000 atoma, stavljeni u superpozicije čiji su centri mase razdvojeni do 133 nm. To je značajan pomak u demonstraciji kvantnog ponašanja većih objekata.
MATTER WAVE IN THE SPOTLIGHT:A computer-generated representation of a cluster of sodium atoms in a delocalized state, where the wave function that describes the positions of the atoms is somewhat spread out over space. Only when the cluster enters the “spotlight” so that its position is measured do the atoms acquire definite locations.Credit: Arndt Group / University of Vienna.
Međutim, kako masa raste, izazovi eksponencijalno rastu. Strategije koje istraživači koriste uključuju levitaciju nanopartikala i hlađenje do osnovnog kvantnog stanja (ground state), često optičkim ili elektromagnetnim metodama, kako su prikazali timovi Markusa Aspelmeyera i drugih.
Kvantna gravitacija: eksperimentalni pravac
Jedan od najuzbudljivijih ciljeva je testirati da li je gravitacija kvantna sila. Ako dve mase mogu da se zapetljaju isključivo preko njihove gravitacione interakcije, to bi bio jak dokaz kvantnosti gravitacije. Predlozi poput eksperimenta Sougato Bose-a (2017) zamišljaju dve nanokristalne čestice u prostornim superpozicijama, udaljene dovoljno da isključe elektromagnetne uticaje, ali blizu da njihova gravitacija utiče na kvantni razvoj sistema.
Takvi testovi traže ekstremni vakuum, izuzetnu elektromagnetnu zaštitu i kontrolu nad udarima gasnih molekula ili fotona — svak kontakt može dovesti do kolapsa superpozicije. Ipak, postavljanje eksperimenata koji ciljaju na kvantnu gravitaciju postaje tehnički izvodljivo i smatrano je jednom od najvažnijih narednih faza u eksperimentalnoj fizici.
Da li kvantno važi sve do makro sveta?
Postoje teorije (npr. predlozi Diósija i Penrosea) koje sugerišu da može postojati spontani kolaps superpozicija koji raste sa masom objekta, možda kako bi se izbegao konflikt sa opštom relativnošću. Mnogi fizičari, ipak, očekuju da će kvantna teorija važiti i dalje, sve dok eksperiment ne pokaže suprotno.
„Ne vidim razlog da principi kvantne teorije prestanu da važe.“ — Markus Arndt
Praktične primene i dalji podsticaji
Pored fundamentalnih pitanja, ovi eksperimenti mogu da otvore nove puteve: osetljivost kvantnih superpozicija može poslužiti za detekciju retkih interakcija sa tamnom materijom ili za traženje novih, dosad nepoznatih sila. Postoji i radoznalost o tome šta bi značilo staviti živi organizam u superpoziciju — virus ili možda bakterija su često pominjani kandidati — ali tu postoje i etičke i konceptualne prepreke.
Zaključak: Schrödingerov misaoni eksperiment i dalje inspiriše eksperimente koji pomeraju granice: od molekula do nanokristala i ka idejama za testiranje kvantne prirode gravitacije. Tehnički izazovi su veliki, ali put napred je jasan i naučnici očekuju značajne pomake u narednim godinama.
Lead image: Tasnuva Elahi; slike: andrei_sikorskii i Tryfonov / Adobe Stock
Pomozite nam da budemo bolji.
